Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7, No. 3, hal. 112-117, 2010 ISSN 1412-5064
Pembuatan Katalis Padat ZrO2/Al2O3 untuk Produksi Biodiesel dari Minyak Jarak Yanna Syamsuddin*, Husni Husin Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Jl. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh, 23111 *E-mail:
[email protected] Abstract Biodiesel is one of the alternative energy to replace petroleum diesel. Biodiesel is produced by transesterification of vegetable oil into alkyl ester and glycerol as by-product. The vegetable oil based put biodiesel as a renewable and environmentally friend energy source. Research on making of solid catalyst ZrO2/Al2O3 for biodiesel production from jatropha oil has been done. The catalysts were prepared by impregnation method with different amount of Zr (2, 5, 15, and 20%) and the components were characterized by using XRD. Transesterification reaction was done by reacting jatropha oil with methanol and catalyst with the ratio of oil to methanol of 1:6, reaction temperature of 60 oC, and reaction time of 3 hours. Biodiesel produced were analyzed for their yield and composition using GC-MS. The biodiesel products were also characterized for their viscosity, density, acidic and saponification value. Characterization of catalysts showed that components of synthesized ZrO2/Al2O3 were ZrO, ZrO2, and Al2O3. The highest yield of biodiesel produced was resulted from transesterification reaction using catalyst with 2% Zr. GC-MS results showed that methyl esters of biodiesel produced confirmed with fatty acids in jatropha oil with methyl oleic is the highest. Characteristic of the biodiesel has met the quality standard of ASTM, prEN and SNI. Keywords: biodiesel, katalis, minyak jarak, ZrO2/Al2O3
1.
Pendahuluan
Upaya untuk mencari dan mengembangkan sumber bahan bakar diesel alternatif guna menutupi kekurangan BBM (bahan bakar minyak) pada masa mendatang terus dilakukan oleh para peneliti baik di dunia maupun di Indonesia. Salah satu bahan yang dinilai layak teknik sebagai bahan bakar diesel alternatif yaitu yang berasal dari tanaman (minyak nabati). Pemilihan minyak nabati ini juga karena dapat diperbaharui (renewable). Bahan bakar diesel alternatif dibuat melalui konversi trigliserida menjadi alkil ester asam lemak (yang disebut biodiesel). Cara utama untuk membuat minyak diesel hayati (biodiesel) dalam skala besar adalah dengan metanolisis trigliseridatrigliserida fraksi minyak nabati (misalnya stearin). Reaksi metanolisis dilakukan dalam tangki terbuka yang terbuat dari baja karbon. Trigliserida yang digunakan harus bebas dari pengotor dan air yang akan menimbulkan masalah pada penggunaan katalis basa. Proses transesterifikasi adalah pergantian gugus alkohol dari suatu ester dengan alkohol lain. Umumnya digunakan metanol atau etanol dengan bantuan katalis KOH/NaOH (Marchetti, dkk., 2005). Reaksi transesterifikasi berikut:
adalah
sebagai
H2C – O – CO – R1
R1COOCH3
H2C – OH
katalis HC – O – CO – R2
+ 3 CH3OH
H2C – O – CO – R3 (Trigliserida)
(Metanol)
R2COOCH3 + HC – OH
R3COOCH3
H2C – OH
(Metil ester)
(Gliserol)
Pada tingkat harga BBM saat ini, pembuatan minyak diesel dari minyak nabati dinilai belum begitu ekonomis, mengingat biaya produksi relatif masih mahal (Anonimous, 2005). Oleh karena itu, teknologi pembuatannya perlu dikembangkan guna menutupi kekurangan BBM pada masa yang akan datang dengan biaya yang lebih murah. Salah satu faktor yang sangat mempengaruhi dalam produksi biodiesel dari minyak nabati adalah katalis. Katalis merupakan zat yang dapat mempercepat reaksi mencapai kesetimbangan. Tanpa katalis reaksi akan berlangsung lama dan akan membutuhkan energi dan biaya produksi lebih besar. Produksi biodiesel yang dilakukan konvensional adalah menggunakan alkali (basa), NaOH atau KOH dan dalam fasa cair. Reaksi ini disebut
secara katalis reaksi sistem
1)
113
Yanna Syamsuddin, Husni Husin / Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7 No. 3
homogen (homogenous catalyst). Pada proses ini reaksi dilangsungkan dalam reaktor batch (partaian) dimana reaksi berlangsung hanya sekali run selanjutnya dihentikan untuk mengambil produk. Transesterifikasi minyak nabati menggunakan katalis alkali menunjukkan laju reaksi transesterifikasi lebih cepat dibanding penggunaan katalis asam (Felizardo dkk., 2007). Katalis alkali memberikan konversi trigliserida mencapai 94-98% menjadi ester pada temperatur 60oC dan waktu 1 jam (Furuta dkk., 2006). Persoalan yang terpantau pada penggunaan katalis alkali adalah bahwa baik NaOH maupun KOH sangat sensitif terhadap kandungan air dan asam lemak bebas asal. Kehadiran air bisa menyebabkan saponifikasi ester. Selain itu, asam lemak bebas dapat bereaksi dengan katalis alkali yang akan menghasilkan air dan sabun. Sabun dapat menyebabkan pembentukan emulsi. Keadaan ini menyebabkan konsumsi katalis meningkat dan ditambah lagi berbagai kesulitan dalam proses pemurnian biodiesel. Hal ini tentunya akan berakibat pada peningkatan biaya produksi (Felizardo dkk., 2007). Penggunaan katalis asam cair pada produksi biodiesel seperti asam sulfat memerlukan temperatur tinggi dan waktu yang lama. Ada beberapa keuntungan menggunakan katalis asam sebagai pengganti katalis basa yaitu: jika minyak nabati mengandung asam lemak bebas >1%, katalis basa akan rusak (tidak stabil), sedangkan katalis asam akan tetap efektif. Penggunaan katalis fasa cair baik basa maupun asam menyebabkan proses pemisahan dari produk lebih sukar. Selain itu, penggunaan katalis ini hanya sekali saja tidak bisa berulang-ulang. Penggunaan katalis asam dan basa cair dilaporkan dapat menyebabkan terganggunya lingkungan (Zullaikah dkk., 2006). Untuk mengatasi masalah di atas telah dilakukan studi literatur dan studi penelitian pendahuluan. Dewasa ini para peneliti telah menaruh banyak minat pada penggunaan katalis padat sistem heterogen (heterogenous catalyst). Katalis ini lebih stabil dan lebih ramah terhadap lingkungan. Penggunaan katalis padat sebelumnya dilakukan oleh Zahrina dan Tatang (2000), yaitu abu tandan sawit yang dipijar ternyata mengandung K2CO3. Lebih lanjut Zahrina dan Tatang (2000), melaporkan bahwa selain abu tandan sawit, abu sabut kelapa, batang, tempurung kelapa dan sawit, serta bahan
alam lainnya yang mengandung unsur K (kalium) dapat digunakan sebagai sumber katalis untuk transesterifikasi trigliserida. Penelitian ini menggunakan katalis asam padat yaitu ZrO2/Al2O3. Pemilihan material katalis ini didasari pada dugaan bahwa sifat dari oksida-oksida tersebut sangat asam, sehingga efektif digunakan untuk transesterifikasi minyak nabati menjadi biodiesel. Selain itu oksida-oksida ini memiliki luas permukaan yang besar (Richardson, 1989). Penggunaan katalis ini diharapkan dapat meningkatkan laju reaksi transesterifikasi minyak nabati menjadi biodiesel. Bahan baku trigliserida yang digunakan berasal dari minyak jarak. 2.
Metodologi
Penelitian ini dibagi dalam 4 tahap, yaitu: preparasi dan karakterisasi katalis, pengempaan biji jarak, reaksi transesterifikasi, pemisahan dan pencucian produk, dan analisa produk. 2.1
Preparasi Katalis ZrO2/Al2O3
Katalis ZrO2/Al2O3 dibuat melalui proses impregnasi senyawa ZrOCl2.8H2O (Merck) dengan γ-Al2O3. Kedua senyawa dengan jumlah tertentu sesuai dengan variasi persentase Zr yang digunakan (2, 5, 15 dan 20 wt%) dicampur dengan aquadest dan diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer selama 6 jam. Campuran selanjutnya dikeringkan dalam oven pada temperatur 110oC selama 12 jam dan dilanjutkan dengan kalsinasi dalam reaktor pipa dengan mengalirkan udara pada temperatur 500oC selama 5 jam. Katalis yang terbentuk dikarakterisasi dengan metoda XRD untuk identifikasi komponenkomponen dalam katalis. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan Lab-X serie 6000 Shimadzu. Analisa ini dilakukan di Laboratorium Kimia Analitik, Jurusan MIPA Kimia, UGM, Yogyakarta. Skema proses pembuatan katalis ZrO2/Al2O3 dapat dilihat pada Gambar 1. 2.2
Pengempaan Biji Jarak
Pertama sekali biji jarak dijemur di bawah sinar matahari selama 1-2 hari, dan setelah kering dikumpulkan untuk kemudian dikukus pada temperatur 100oC selama 30 menit. Setelah pengukusan biji dikupas untuk melepaskan daging biji dan kulit biji, lalu dipisahkan.
Yanna Syamsuddin, Husni Husin / Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7 No. 3
ZrOCl2.8H2O Zr : 2, 5, 15 dan 20%
dalam corong pemisah adalah lapisan metil ester dan metanol yang tidak bereaksi.
Al2O3
+ Aquadest Diaduk selama 6 jam
Biji Jarak
Drying T = 110oC selama 12 jam
Kalsinasi pada T = 500oC selama 5 jam
Ditimbang
Dijemur dibawah sinar matahari (selama 1 – 2 hari) Ditimbang
Biji yang telah kering
Karakterisasi XRD
Gambar 1. Skema proses ZrO2/Al2O3.
Dikukus pada T = 100oC (selama 30 menit)
pembuatan
katalis Dikupas
Daging biji yang sudah dipisahkan, kemudian dilumatkan dan dikempa dalam mesin press untuk menghasikan minyak dan residu. Minyak diendapkan dan disaring untuk memisahkan pengotor yang disebut foot. Foot tersebut dicampur dengan residu dari proses pengepresan kemudian dikembalikan ke proses pengepresan untuk mengambil sisa-sisa minyak yang mungkin masih terkandung di dalamnya. Skema tahap pengempaan biji jarak dapat dilihat pada Gambar 2. 2.3
Transesterifikasi Pemisahan, Pencucian Produk
Kulit Biji
Daging Biji
Dikempa
Residu
Minyak (yang masih kotor)
dan
Proses transesterifikasi minyak jarak dengan metanol hingga membentuk metil ester (biodiesel) dilakukan dalam reaktor berpengaduk. Rasio minyak jarak terhadap metanol adalah 1 : 6 dan jumlah katalis yang digunakan adalah 4% dari jumlah minyak jarak. Minyak jarak dan katalis yang telah ditimbang beserta metanol dimasukkan ke dalam reaktor dan temperatur operasinya dijaga tetap konstan. Reaktor ini dilengkapi dengan condenser yang bertujuan untuk menghindari penguapan metanol selama proses berlangsung. Setelah dilakukan pengadukan selama 3 jam, campuran tersebut dimasukkan ke dalam corong pemisah dan diendapkan selama 48 jam, sedangkan katalis dipisahkan dari campuran reaksi dengan penyaringan. Selama proses pengendapan berlangsung akan terbentuk dua lapisan, lapisan atas adalah metil ester, sedangkan lapisan bawah adalah gliserol. Sementara metanol terdistrisbusi diantara 2 lapisan. Pemisahan gliserol dari metil ester dilakukan dengan membuka corong pemisah, sehingga yang tertinggal di
Diendapkan (selama 24 jam)
foot
Minyak Jarak
Gambar 2. Skema tahap pengempaan biji jarak.
Setelah tahap pemisahan maka lapisan ester diisi ke dalam corong pemisah, kemudian dilakukan pencucian dengan menggunakan air hangat (50oC). Selama proses pencucian dilakukan, sejumlah ester akan membentuk emulsi dengan air, sehingga diperlukan waktu 24 jam untuk mendapatkan pemisahan yang baik antara lapisan ester (biodiesel) dan lapisan air yang membawa sisa metanol dan ester teremulsi. Lapisan ester berwarna kuning jernih akan terbentuk pada lapiasan atas, sedangkan air yang membawa sisa metanol dan ester teremulsi terdapat pada lapisan dibawahnya dan dapat dibuang. Skema pembuatan biodiesel dapat dilihat pada Gambar 3.
114
115
Yanna Syamsuddin, Husni Husin / Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7 No. 3
Metanol
Minyak Jarak
Katalis
Reaksi transesterifikasi Waktu reaksi 3 jam Kecepatan pengadukan 150 rpm Temperatur operasi 60oC
kecil) menunjukkan sifat kristalinitas dari senyawa semakin besar, demikian pula sebaliknya, jika semakin rendah dan lebar suatu peak (d = besar), maka senyawa yang ditunjukkan akan lebih bersifat amorf (kadarnya rendah) (Husin, 2005).
Penyaringan katalis
Campuran reaksi diendapkan selama 48 jam
Gliserol
Metil ester (masih bercampur dengan metanol yang tidak bereaksi)
Pencucian dengan air hangat (50C) dan pemisahan selama 24 jam
Air pencuci ( mengandung sisa metanol dan ester terelmulsi)
Metil ester
Analisa produk
Grafik XRD dibaca dengan membandingkan nilai d dari masing-masing peak difraktogram sampel dengan nilai d difraktogram senyawa standar. Hasil karakterisasi katalis ZrO2/Al2O3 dengan berbagai variasi Zr dapat dilihat pada Gambar 4 sampai 7. Dari gambar-gambar tersebut dapat dilihat bahwa komponen-komponen katalis yang terbentuk adalah ZrO2, ZrO dan Al2O3. Intensitas ZrO dan ZrO2 meningkat seiring dengan meningkatnya kadar Zr yang ditambahkan.
Gambar 3. Skema proses pembuatan biodiesel.
Analisis Produk
Metil ester yang diperoleh setelah proses pencucian dianalisa karakteristik dan komposisinya. Analisis karakteristiknya, yaitu viskositas, densitas, dan nilai asam. Analisis bilangan sabun dan perhitungan yield dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari penggunaan katalis terhadap proses transesterifikasi. Analisis GC-MS untuk identifikasi komposisi metil ester dilakukan dengan menggunakan GC-MS GP2010S merk Shimadzu dengan detektor FTD (Flame Thermionic Detector). Analisis ini dilakukan di Laboratorium Analisis, MIPA, UGM, Yogyakarta.
ZrO2
400
Al2O3
300
ZrO2 ZrO
200 100 0 0
20
40
60
80
100
2 Theta (deg)
Gambar 4. Difraktogram katalis dengan Zr 2%.
ZrO2/Al2O3
500
Intensitas (cps)
2.4
Intensitas (cps)
500
ZrO2 Al2O3 Al2O3 ZrO
400 300
ZrO2
200 100 0 0
20
40
60
80
100
2 Theta (deg)
Hasil dan Pembahasan
Penelitian pembuatan biodiesel dari minyak jarak dilakukan dengan menggunakan katalis padat ZrO2/Al2O3. Katalis yang dibuat dikarakterisasi sebelum diuji aktivitasnya melalui reaksi transesterifikasi minyak jarak menjadi biodiesel. Produk biodiesel juga dianalisa yield dan komposisinya serta dikarakterisasi sifat-sifat fisiknya dan membandingkan dengan standar SNI.
Gambar 5. Difraktogram katalis dengan Zr 5%.
800
ZrO2/Al2O3
ZrO
700 600
intensitas
3.
ZrO
500
Al2O3 Al2O3 ZrO ZrO2
400 300 200
3.1
Karakterisasi Katalis
100 0 0
Identifikasi senyawa-senyawa yang terkandung dalam katalis dilakukan dengan menggunakan metoda XRD. Analisis ini bertujuan untuk identifikasi fase kristal dari katalis, yaitu semakin tinggi dan sempit suatu peak (d =
20
40
60
80
100
2 theta (deg)
Gambar 6. Difraktogram katalis dengan Zr 15%.
ZrO2/Al2O3
Yanna Syamsuddin, Husni Husin / Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7 No. 3
900 800
Al2O3 ZrO2 Al2O3
ZrO2
700 intensitas
kadar Zr 2%, diikuti oleh katalis yang sama dengan kadar Zr 5%.
ZrO2
Tabel 1. Yield biodiesel Jenis Katalis ZrO2/Al2O3, 2% Zr
ZrO
600 500 400
Yield (%) 61,73
ZrO2/Al2O3, 5% Zr
52,06
200
ZrO2/Al2O3, 15% Zr
41,08
100
ZrO2/Al2O3, 20% Zr
---
300
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 theta (deg)
Gambar 7 Difraktogram katalis ZrO2/Al2O3 dengan Zr 20%.
3.2
Uji Kinerja Katalis
Kinerja (aktivitas) katalis dinilai berdasarkan perolehan metil ester asam lemak dan sabun. Hasil uji kinerja katalis ZrO2/Al2O3 dapat dilihat pada Tabel 1. Terlihat bahwa yield biodiesel tertinggi diperoleh dari proses yang menggunakan katalis ZrO2/Al2O3 dengan
3.3 Analisis Minyak Jarak dan Produk Biodiesel Hasil analisis kom-posisi ditampilkan pada Gambar 8 dan 9. Dari Gambar 9 terlihat bahwa biodiesel yang dihasilkan mengandung metil ester yang sesuai dengan asam-asam lemak yang terkandung dalam minyak jarak (Gambar 8) dengan dan kandungan tertinggi adalah metil oleat.
Gambar 8. Kromatogram minyak jarak murni.
Tabel 2.
Karakteristik produk biodiesel. Karakteristik biodiesel
Densitas (gr/cm3) Viskositas kinematik (mm2/s) Bilangan asam (mg KOH/gr) Bilangan penyabunan (mg KOH/gr)
Hasil penelitian
ASTM
0,893–1,298
0,8-0,88
52,11 – 58,21 0,3927 – 0,4488 97,614 – 134,64
1,9-6,0 pada 40oC max 0,8 ---
prEN
SNI
0,86-0,9 pada 15oC 3,5-5,0 pada 40oC max 0,3 ---
0,85-0,89 pada 40oC 2,3-6,0 pada 40oC Max 0,8 ---
116
117
Yanna Syamsuddin, Husni Husin / Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 7 No. 3
Gambar 9. Kromatogram metil ester asam lemak biodiesel.
Hasil karakterisasi dapat dilihat pada Tabel 2. Dari tabel tersebut terlihat bahwa karakteristik biodiesel hasil penelitian sudah memenuhi syarat mutu, hanya viskositas biodiesel yang diperoleh masih cukup tinggi. 4. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengolahan data dan pembahasan yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa komponen katalis ZrO2/Al2O3 terdiri atas senyawa-senyawa ZrO, ZrO2 dan Al2O3. 2. Hasil analisis GC-MS menunjukkan bahwa biodiesel yang dihasilkan mengandung metil ester yang sesuai dengan asamasam lemak yang terkandung dalam minyak jarak dengan kandungan tertinggi adalah metil oleat. 3. Yield tertinggi diperoleh dari reaksi yang menggunakan katalis dengan kadar Zr 2%. 4. Karakteristik biodiesel yang dihasilkan sudah memenuhi syarat mutu yang ditetapkan ASTM, prEN dan SNI, kecuali viskositas yang masih cukup tinggi. Daftar Pustaka Anonimous (2005) ITB buat bahan bakar dari minyak jarak. Kompas.com/kompas-cetak.
Felizardo, P., Correia, M. J. N., Raposo, I., Mendes, J. F., Berkemeier, R., Bordado, J. M. (2006) Production of biodiesel from waste frying oils, Waste Management, 26, 5, 487-494. Furuta, S., Matsuhashi, H., Arata, K. (2006) Biodiesel fuel production with solid superacid catalysis under atmospheric pressure, Catalysis Communications , 5, 12, 721-723. Husin, H., Syamsuddin, Y., Mahidin (2006) Minyak Jarak Menjadi Biodiesel Menggunakan katalis abu tandan sawit kosong, Prosiding Seminar Nasional Fakultas Pertanian Universitas Syiah Kuala. Nunung H., Budiono, S. (2006) Mesin Pengolah Minyak jarak Menjadi Biodiesel. Seminar Sehari di Jurusan Teknik mesin Unsyiah. Richardson J. T. (1989) Principles of Catalyst Development, Fundamental and Applied Catalysis, Plenum Press, New York, NY. Marchetti, J. M., Miguel, V. U., Errazu, A. F. (2005) Possible methods for biodiesel production, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11, 1300–1311. Zullaikah, S., Chao, C. L., Ramjan, S. V., Ju, Y. H. (2005) A two-step acid-catalyzed process for the production of biodiesel from rice bran oil, Bioresource Technology, 96, 17, 1889-1896. Zahrina, I., Tatang, H. S. (2000) Transesterifikasi CPO Menjadi Metil Ester, Thesis, ITB Bandung.
